资源简介

1.2洛伦兹力 教案
一、教材分析
本节《洛伦兹力》主要介绍磁场对运动电荷的作用力，并由安培力推导出洛伦兹力的大小，介绍洛伦效力方向的判定方法，分析带电粒子在习强磁场中做速圆周运动的轨迹，并导出轨迹半径和周期。洛伦兹力是本章的重点。
教材从"磁场对电流有力的作用"和"电流是由电荷的定向运动形成的"这两个事实出发，提出磁场对运动电荷有作用力的设想，然后通过磁极靠近阴极射线管的实验来验证，在此基础上引入洛伦兹力的概念。这样处理，有利于培养学生的逻辑推理能力，同时为从安培力公式导出洛伦兹力公式做了铺垫。对于洛伦兹力的推导，教材建立了物理模型（教材图1-12)，意义在于培养学生的抽象思维能力，学习利用物理模型解决问题的方法。
学情分析
学生已经知道"磁场对电流有力的作用"和"电流是由电荷的定向运动形成的"从而引发学生思考是否运动电荷在磁场中会受到力的作用。学生在通过安培力的学习已经懂得用左手定则判断安培力的方向和在必修二的学习中掌握了圆周运动的知识，以及圆的相关的数学知识。
三、核心素养的培养目标
1．能通过实验探究磁场对运动电荷的作用力，进一步体验科学探究的过程和"推理一假设一验证"的科学思维方法。
2．知道什么是洛伦力，能计算洛伦效力的大小，会断洛伦力的方向，理解洛伦力方向与安培力方向的判定方法在本质上是相同的。
3．知道洛伦兹力与安培力之间的联系，理解安培力的相互作用的本质是洛伦效力，能运用安培力的计算公式推导出洛伦兹力的计算公式。
4．知道垂直射入强磁场的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，会运用数学工具推导带电粒子做速圆周运动的半径、周期公式，并会应用它们解答简单问题。
四、教学重点与难点
重点：使学生理解安培力产生的根本原因是运动粒子在强磁场中受到洛伦兹力的作用，并掌握计算洛伦兹力的大小、判断洛伦兹力方向的方法。
难点：难点是洛伦兹力公式的推导。学生在高中阶段运用数学工具解决物理问题时还存在一定的困难，需要在具体问题的分析中，引导学生自觉调用所学的数学工具解决物理问题。
五、教具准备
多媒体、阴极射线管、U型磁铁、电源、高压起电机等。
六、课时安排：2课时
七、教学过程
新课引入
电流是由电荷的定向移动形成的。
那么磁场对运动电荷会产生作用吗？
新课教学
1、磁场对运电荷的作用
下面我们通过阴极射线管来探究磁场对运动电荷的作用。 阴极射线管发出的阴极射线是一束高速运动的电子流。射线侧面的荧光屏显示了电子的径迹。
实验现象
当阴极射线管的周围不存在磁场时，电子的运动轨迹是直线；当阴极射线管的周围存在磁场时，电子的运动轨迹是曲线；当调转磁极时，电子偏转方向发生改变。
说明磁场对运动电荷有力的作用，作用方向与磁场方向有关。
洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力。
带电粒子的定向移动等效为电流，那么洛伦兹力方向是否也符合左手定则呢？
电子的定向运动可以等效成电流，我们验证可以得到，洛伦兹力方向也符合左手定则。
左手定则：伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。
由左手定则可以得出：洛伦兹力只能改变速度的方向而不能改变速度的大小。即洛伦兹力不做功！洛伦兹始终垂直与于磁感线，也始终垂直于运动方向，即始终垂直与于磁感线和运动方向所构成的平面。
课堂训练
大量研究表明：
(1)如果电荷的速度方向与磁感应强度方向平行（B//v），f＝0
(2)如果在磁感应强度为B的匀强磁场中，电荷的速度方向与磁感应强度方向垂直（B ⊥v），f=qvB
如果速度和磁感线成任意夹角，那么洛伦兹力为多少呢？
我们可以分解速度或者分解磁感应强度，方法如下：
v1与B平行，不受洛伦兹力，F1=0
v2与B垂直，受洛伦兹力,F1=qv2B
所以可得：
θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角
分解磁感应强度可得：
2、从安培力到洛伦兹力
通电导线在磁场中受到安培力，运动电荷在磁场中受到洛伦兹力，这二者有什么内在联系呢？实际上安培力可视为大量运动电荷受到的洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力则可视为是安培力的微观解释，下面我们尝试用安培力的公式推导洛伦兹力的公式。
如图设导线横截面积为S，单位体积中含有的自由电子数为n，每个自由电子的电荷量为e，定向移动的平均速率为v，垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。
截取一段长度l＝vΔt的导线。这段导线中所含的自由电子数为N，则N＝nSl＝nSvΔt
通过导线横截面的电荷为: Δq＝neSvΔt
通过导线的电流为:I＝Δq/Δt=neSv
这段导线所受到的安培力:F＝IlB＝neSv2BΔt
每个自由电子所受到的洛伦兹力:f＝F/N=evB
极光现象：太阳发射出的带电粒子（太阳风），大约四天的时间就会到达地球，但它是不会直接与地球碰触，因为有地球磁场的保护，地球的磁场使这些带电粒子发生偏转，避免了地球上的生命受到带电粒子的辐射。当“太阳风”和地球北极上方的大气相互作用就形成北极光，若出现在南极就称南极光。
3、带电粒子在匀强磁场中的运动
由粒子在磁场中的运动轨迹照片可看出，在磁场中粒子的运动轨迹有大小不等的圆形、螺旋形、直线等。为什么会形成这样的运动轨迹呢？
垂直射入匀强磁场中的运动电荷受到的洛伦兹力不与磁感应强度方向垂直，而且总与速度方向垂直，因此伦兹力不对运动电荷做功，它不改变运动电荷的速率，只改变运动电荷的运动方向。由此我们推测，运动电荷垂直射入磁场后，在磁场中做圆周运动。这一推测正确吗？我们可以用洛伦兹力演示仪进行演示。
洛伦兹力演示仪，玻璃泡内的电子枪发射出阴极射线，使泡内的低压惰性气体发出辉光，这样便可显示出电子的轨迹。
（演示实验）
现象：（1）没有磁场作用时，观察电子的运动轨迹是直线；
外加一磁场，让电子垂直射入，电子的运动轨迹是圆；
外加一磁场，让电子不垂直射入，则电子的运动轨迹是螺旋形。
从实验可得：当运动电荷垂直射入匀强磁场后，运动电荷受洛伦兹力的作用而做圆周运动。运动电荷做匀速圆周运动半径、周期与哪些因素有关呢？
质量为m,电量为q的粒子,以速度v垂直射入匀强磁场B中，该粒子受到的洛伦兹力，忽略粒子受到的重力，由洛伦兹力提供向心力。
带电粒子在磁场中的运动半径
带电粒子在磁场中做圆周运动时，轨道半径与粒子的运动速率、粒子的质量成正比，与电荷量、磁感应强度成反比。
带电粒子圆周运动的周期
带电粒子在磁场中做圆周运动时，轨道周期与粒子的质量成正比，与电荷量、磁感应强度成反比，但是与轨道半径和速率无关。
如果粒子的斜射入匀强磁场时，那么我们可以把速度进行分解。
平行磁场方向：匀速直线运动
垂直磁场方向：匀速圆周运动
因此，带电粒子沿着磁感线的方向做螺旋形运动。
例：在半导体离子注入工艺中，初速度可忽略、质量为m、电荷量为q的磷离子，经电压为U的电场加速后，垂直进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里、有一定宽度的匀强磁场区域，在磁场中转过θ=30°后从磁场右边界射出，如图所示。不计磷离子所受的重力，求磷离子在磁场中运动时的半径r和运动时间t。
霍尔效应：将一导电薄板放入垂直于板的磁场中，当的电流通过时，运动电荷会在磁场的作用下向导电薄板某边发生偏转，这样就使导电薄板两边聚集了正、负电荷。使导电薄板两边出现了电势差，称霍尔电压。利用霍尔效应制成的传感器被广泛应用于自动控制领域。当产生的电压稳定后。粒子受到的电场力与洛伦兹力平衡。
可得霍尔电压
八、课堂小结
1．运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用
2．大小：F=qvBsinθ
B//v，f＝0
B ⊥v，f=qvB
3．方向：左手定则
4．半径公式
周期公式
九、板书设计
1．洛伦兹力
2．大小：F=qvBsinθ
B//v，f＝0
B ⊥v，f=qvB
3．方向：左手定则
4．半径公式
周期公式
十、教学反思
教学中，以磁场对电流有作用力和电流是电荷的定向运动这两个依据提出假设：磁场对运动电荷有作用力。再通过阴极射线受磁场作用发生偏转验证洛伦兹力的存在，让学生体验"推理假设一验证"的科学思维方法。让学生获得这一体验非常重要，因此要让学生讨论每一步预设的实验结果，并引导学生观察、分析实验现象。教材在引出洛伦兹力的概念后，直接给出洛伦兹力为零和洛伦兹力最大值的两种情况和公式，把难度较大的公式推导安排到后面的教学中。
从安培力到洛伦兹力的推理。引导学生假设所需要的宏观量和微观量，并分析这些物理量之间的联系，进而由安培力公式导出洛伦兹力公式。这里的分析、推导过程要鼓、引导学生自主完成，以培养和提高学生的分析、推理能力，发展他们综合运用知识的能力。洛伦兹力的方向判定可以借助安培力的判定方法，但学生在用左手定则判断洛伦兹力方向时容易犯一个错误：把四指指向电荷的运动方向时忘记区分电荷的正负。阴极射线管实验中电子束的偏转方向与电子束运动方向、磁场方向间的关系是验证左手定则很好的例子，可让学生用左手定则判定后再演示实验现象作为验证。
圆的半径和圆周运动的周期可能由哪些因素决定。这里，让学生看到带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹半径的变化，在此基础上引导学生运用已有的动力学和圆周运动知识，推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期。
分析霍尔元件哪个表面的电势高的问题时，非常容易出错。实际应用中，半导体材料更多的是电子型半导体，其载流子为自由电子，这与金属材料类似。学生在分析的过程中，常以正电荷进行洛伦兹力方向的判定，在判明正电荷偏转方向和哪个表面积累正电荷后，就直接判定导体的另一表面带负电荷，结果错误。因为学生没有注意到上述的判断方法，必须是正、负载流子在磁场中运动的方同是一致的。霍尔元件中，自由电子所受洛伦兹力的方向通过正电荷判定，但受力体却是自由电子本身。图中，自由电子受到的洛伦兹力的方向是整直向下，下表面积累负电荷。结果应该是导体上表面的电势高，下表面的电势低。教学中可以根据学生的情况，介绍一些霍尔元件在电器设备中控制转速的应用实例。

展开更多......

收起↑